TERJEDÉSI ÉS EGYÉB MODELLEZİ ESZKÖZÖK KATEGORIZÁLÁSÁNAK SZEMPONTJAI Az utóbbi évtizedek során tapasztalt informatikai fejlıdés részeként nagyon sok olyan szoftver vált elérhetıvé a környezetvédelem és vízgazdálkodás területén, amelyek matematikai modellezés segítségével írják le a különbözı kémiai anyagok felszíni és felszín alatti vizekben végbemenı transzportfolyamatait. Éppen ebbıl, a napjainkban már rendelkezésre álló bıséges kínálatból következik, hogy azon transzport modellek optimális esetben legalkalmasabb transzport modell kiválasztása, amelyek egy bizonyos konkrét probléma megoldására alkalmas(ak), a nem-szakértı felhasználók számára egyre inkább bonyolult feladat. A fı kérdés az, hogy a kiválasztott és késıbb alkalmazásra kerülı modell képes-e választ adni a feltett kérdésekre, vagyis megoldható-e vele az adott terület-specifikus hidraulikai illetve transzport probléma, ezért az eredményes modellválasztáshoz általában több tudományterület (talajfizika, hidrológia, hidrogeológia, geokémia, mikrobiológia, matematika, informatika) szerves együttmőködése szükséges. A mindennapok során azonban, az egyes döntési helyzetekben általában nem áll mindenki számára rendelkezésre egy szakértıi team, ezért - felhasználva az informatika nyújtotta lehetıségeket - egy elıre jól definiált, összetett tudásbázison alapuló és folyamatosan fejleszthetı döntéstámogató szakértıi rendszer segítségével a szükséges szakértelem néhány percen belül elıhívható. Ennek a döntéstámogató rendszernek egyik fı pillérét képezi egy, a transzport folyamatokat leíró modellek specifikációit magában foglaló modell adatbázis. Az adatbázis alkalmazhatóságát megkönnyíti annak minél rugalmasabban és feladat specifikusan kialakított szerkezete, amely a késıbbiekben biztosítja a modellek jellemzıinek csoportosított lekérdezését, valamint a rendszer igény szerint történı további bıvíthetıségét. Ehhez elıször a szakmában jelenleg elterjedt és alkalmazott transzport modelleket össze kell győjteni, kategorizálni, és utána adatbázisba rendszerezni a fıbb jellemzıiket. A modellek kategorizálási rendszerének kialakításában fontos szerepet játszanak úgy a szakmai, mint a felhasználói szempontok szerint összegyőjtött információk, megfontolások. Utóbbi kategória két nagyobb csoportra bontható fel: a modellt azonosító információkra és a modell használatával kapcsolatos információkra. Az így kialakított adatbázis lehetıség szerint tartalmazza az egyes szoftverek nevét, fejlesztıjét, elérhetıségét, forgalmazójának adatait, árkategóriáját, adattípus-igényét, az eredmények megjelenítésének lehetıségét és módját, a rendszer térinformatikai támogatottságát, valamint a modell adott feladatra történı felépítésének becsült idıigényét, mint a potenciális felhasználó számára legfontosabb kérdéseket. A modellek szakmai szempontú osztályozásánál abból indulhatunk ki, hogy a kızetekben és a felszín alatti vizekben végbemenı oldat transzportot fizikai, kémiai és biológiai folyamatok komplex rendszere befolyásolja. Ebbıl következik, hogy a szennyezés összetételén, eredetének jellegén és a vizsgált komponensek számán túlmenıen kulcstényezık még a földtani közeg, vagyis a modellezett tér fizikai és geometriai jellemzıi, a probléma megoldás dimenziója, a kezdeti- és a peremfeltételek jellege is. Mindezek már alapvetıen determinálják az adott modell alkalmazási területét, valamint a transzportegyenlet modellben célszerően alkalmazott elemeit. Az oldat transzport modellek kategorizálása több oldalról történı megközelítéssel is lehetséges. Két nagy átfogó, és egymástól jelentısen eltérı csoportot alkotnak azonban a determinisztikus (vagy más néven folyamat-orientált), valamint a sztochasztikus modellek (Addiscott és Wagenet, 1985; Nielsen et al., 1989).
A további osztályozás kidolgozásánál az ismert és alkalmazott transzport modellek mintegy 99 %-át alkotó, determinisztikus függvények alapján mőködı rendszereket vesszük figyelembe. A modellek alkalmazási területe alapján, elsıdlegesen hat nagyobb csoportba soroltuk azokat a folyamat-orientált fejlesztéső szoftvereket, amelyek a projekt célkitőzéseivel összhangban, rendelkeznek a megkívánt funkciókkal: Felszín alatti szivárgáshidraulikai és transzport modellek, Felszíni vizek vízminıségi modelljei, Vízgyőjtı szintő hidraulikai és transzport modellek, Humán egészségügyi kockázatbecslı szoftverek, A mezıgazdasági növénytermesztés és a felszín alatti vizek minıségének kapcsolatát leíró modellek, Hidrológiai adatbázis és értékelı programok. Az elsı, egyben a legszámosabb csoportot alkotó felszín alatti szivárgáshidraulikai és transzport modelleket tovább osztályoztuk a 3 fázisú telítetlen zónában, a 2 fázisú telített zónában, valamint a mindkettıben lezajló folyamatok számítására képes rendszerekre. A második nagyobb osztályozási szempontot a transzportegyenlet modellekbe beépített elemeinek a típusa jelentette, amelyeket mérlegelve, 9 fıbb, önálló kategóriát alakítottunk ki. Ezek a diffúzió, a diszperzó, az advekció, az adszorpció, a képzıdés/produkció, a lebomlás/degradáció, a filtráció, valamint a rendszerbeli források/nyelık figyelembevétele. Jóllehet folyadék fázis esetében hagyományosan konvektív-diszperzív, egy- vagy többdimenziós transzportot tételeznek fel a legtöbb modellben, de ezen túl a rendszerek jelentıs hányada már egy vagy több további folyamatot is képes kezelni, például egyensúlyi, vagy kémiai-kinetikus szorpciót, elsırendő lebomlást, nulladrendő produkciót, vagy éppen mátrix diffúziót a repedezett kızetek esetében. Ezen transzport-elemek további lehetséges kombinációi az adatbázisban figyelembe vehetık. Szakmai szempontból nézve, a talajok és a víztartók térbeli sajátosságainak pontos jellemzése a helyes modellválasztás egyik legkritikusabb lépése. Az adatbázis kialakításánál két fı kategorizálási szempontot vettünk figyelembe a talajok csoportosításában. Az egyik ilyen osztályozási szempont azt dönti el, hogy a víztartó rétegzett, vagy nemrétegzett (egységes) szerkezető-e. Ennek eldöntése fontos szempont, mivel a két talajtípus adott esetben két különbözı matematikai modellt igényelhet. Hasonlóképpen, eltérı típusú transzport modell válhat szükségessé akkor, ha a talajszelvény nem homogén (strukturált) és ugyanakkor önálló aggregátum, vagy ha a vizsgált rendszer repedezett szerkezető. A vizsgált kémiai elemek száma szerint megkülönböztettünk egy kémiai elemre (single-ion) alkalmazható és több komponensre/kémiai elemre (multi-component/multiion) alkalmazható transzport modelleket. Itt jegyezzük meg, hogy a viszonylag egyszerő több-komponenső transzport modellek közé sorolhatók a radioaktív anyagok transzportját leíró modellek is, amelyek folyamatos, elsı-rendő lebomlási láncokat képeznek. A modell geometriája alapján három szempont szerint osztályoztuk a modelleket. Az elsı ilyen csoportot a megoldandó probléma dimenziója jelentette, amely szerint lehetnek egy-, két- és 3 dimenziós térbeli megoldással rendelkezı modellek. A második csoportnál az alkalmazott koordináta rendszer szerint differenciáltuk a modelleket, azaz megkülönböztettük a szennyezıanyag terjedését derékszögő, radiális és hengeres
rendszerben leíró modelleket. Harmadik osztályozási szempontként a geometriai tér, vagyis a koordináta tengelyek kiterjedése szerint osztályoztunk, amely szerint lehetnek véges, félig korlátos és végtelen kiterjedéső rendszereink. A szennyezés eredetének térbeli jellege szerint megkülönböztettünk az adatbázisban pontszerően, vonal-mentén jelentkezı és területi jellegő szennyezı forrásokat. A modell kezdeti feltételei azokat a potenciál értékeket, illetve koncentrációkat jelenti, ahonnan a számítás indul, ezért elsısorban a nempermanens számításoknál van jelentısége. Minthogy a permanens vizsgálat eredménye tulajdonképpen a végtelen idı múlva kialakuló állapotot jelenti, ennek nyilvánvalóan függetlennek kell lennie a kiindulási állapottól. A legtöbb rendelkezésre álló szoftver numerikus megoldása - ettıl függetlenül - általában a számítás elindításához permanens esetben is igényel kiindulási vízszintet és koncentrációt, de ennek csak a megoldáshoz szükséges iterációk számára van hatással, maga a megoldás ettıl nem változik. Az adatbázisban megkülönböztettünk konstans, lépcsıs, impulzus, valamint egyéb típusú kezdeti feltételeket. Az impulzus típusú kezdeti feltételeket tovább csoportosítottuk négyzet-, gömb- és henger-szerően változó feltételekre. A modell perem feltételeinek meghatározásakor azt adjuk meg, hogy mi a hatása a modellezésbıl kihagyott területnek rendszerünkre, ezért ennek helyes definiálása fontos tényezı lehet a modell kiválasztásnál. A modell perem feltételeit három nagyobb kategóriába soroltuk. Az elsı csoportba a koncentráció-értékkel megadott, vagy más néven Dirichlet típusú peremfeltételeket, másodikba a konstans koncentráció-gradienssel jellemezhetı peremfeltételeket, a harmadik csoportba pedig a fluxussal, azaz anyagárammal megadható (Cauchy-típusú) peremfeltételeket soroltuk. Az elsı és a harmadik típusúak tovább specializálhatók konstans-, lépcsıs-, impulzus-, exponenciálisés értékeiben adott koncentráció függvény szerint változó peremfeltételek szerint. A szennyezıdés-terjedési modellek és az ezeken belül mőködı szivárgáshidraulikai modellek, illetve a speciális esetekben indokolt többfázisú modellek mindegyike mögött egy differenciálegyenlet (-rendszer) húzódik. Ezek matematikai megoldása szerint megkülönböztetünk analitikus, numerikus és egyéb módszereken alapuló modelleket. Ezek tovább is csoportosíthatók (véges differenciák módszere, integrál-kifejezésre vezetı módszerek, valamint véges elemes és peremelemes módszerek), de a kategorizálási opciót jelenleg ezen a szinten építettünk be az adatbázisunkba. Az esetek többségében (a bonyolultabb térbeli folyamatok modellezéséhez) numerikus módszereket alkalmazunk az áramlási- és transzportegyenletek közelítı megoldására. A modellt azonosító információk ----- Modell neve ----- Modellt fejlesztı cég neve ----- Modellt fejlesztı cég elérhetısége ----- Modell elérhetısége ----- szabadon letölthetı ----- kereskedelmi forgalomban érhetı el ----- becsült árkategória [Ft] ----- 100 000 Ft alatt ----- 100 000 Ft - 1 000 000 Ft ----- 1 000 000 Ft felet ----- Külföldi forgalmazó neve ----- Külföldi forgalmazó elérhetısége ----- Magyarországi forgalmazó(k) neve ----- Magyarországi forgalmazók (1,2, ) elérhetısége
A modell alkalmazási körét leíró információk ----- Modell alkalmazási területe ----- felszín alatti szivárgáshidraulikai és transzport modellek ----- 3 fázisú telítetlen zóna ----- 2 fázisú telített zóna ----- mindkettı ----- felszíni vizek vízminıségi modelljei ----- vízgyőjtı szintő hidraulikai és transzport modellek ----- humán egészségügyi kockázatbecslı szoftverek ----- mezıgazdasági növénytermesztés és a felszín alatti vizek minıségének kapcsolatát leíró modellek ----- hidrológiai adatbázis és értékelı programok ----- A modellben alkalmazott transzportegyenlet elemek ----- diffúzó (hidrodinamikai diszperzió) ----- diszperzió ----- hıtranszport ----- advekció ----- adszorpció ----- képzıdés (production) ----- lebomlás (degradáció) ----- rendszerbeli forrás-nyelı ----- Talaj, víztartó típusa ----- rétegzett ----- homogén ----- strukturált ----- nem rétegzett ----- homogén ----- strukturált ----- Vizsgált kémiai elemek száma ----- egy kémiai elemre alkalmazható ----- több kémiai elemre alkalmazható ----- A modell geometriája ----- probléma megoldás dimenziója ----- egy dimenziós (1D) ----- két dimenziós (2D) ----- három dimenziós (3D) ----- geometriai tér kiterjedése ----- véges ----- félig korlátos ----- végtelen ----- Szennyezés eredetének térbeli jellege ----- pontszerő ----- vonal-menti ----- területi ----- Kezdeti feltételek ----- Peremfeltételek ----- permanenes ----- nem permanens
----- Matematikai megoldások ----- analitikus ----- numerikus ----- egyéb A modell használatával kapcsolatos információk ----- Adatigény ----- pontszerő ----- térbeli ----- idısoros ----- térképi adatok ----- GIS rétegek ----- Térinformatikailag támogatott ----- igen ----- nem ----- Kapcsolódó GIS szoftver típusa ----- megnevezés ----- Eredmények megjelenítési lehetıségei ----- van beépített lehetıség ----- táblázat ----- grafikon ----- diagram ----- térkép-szerő ----- egyéb ----- külsı programmal végezhetı ----- adatkinyerési lehetıség ----- van ----- nincs